개요: 혼합 신호 회로의 설계 PCB 매우 복잡합니다. 구성 요소의 레이아웃 및 배선, 전원 공급 장치 및 접지선 처리는 회로 성능 및 전자파 적합성 성능에 직접적인 영향을 미칩니다. 이 기사에서 소개하는 접지 및 전원의 파티션 설계는 혼합 신호 회로의 성능을 최적화할 수 있습니다.

디지털 신호와 아날로그 신호 간의 상호 간섭을 줄이는 방법은 무엇입니까? 설계하기 전에 전자기 호환성(EMC)의 두 가지 기본 원칙을 이해해야 합니다. 첫 번째 원칙은 전류 루프 영역을 최소화하는 것입니다. 두 번째 원칙은 시스템이 하나의 참조 표면만 사용한다는 것입니다. 반대로 시스템에 두 개의 기준면이 있는 경우 다이폴 안테나를 형성할 수 있습니다(참고: 작은 다이폴 안테나의 방사 크기는 라인의 길이, 흐르는 전류의 양 및 주파수에 비례합니다). 신호가 가능한 한 많이 통과할 수 없는 경우 작은 루프의 반환은 큰 루프 안테나를 형성할 수 있습니다(참고: 작은 루프 안테나의 방사 크기는 루프 면적, 루프를 통해 흐르는 전류 및 제곱에 비례합니다. 주파수). 설계 시 이 두 가지 상황을 최대한 피하십시오.

디지털 접지와 아날로그 접지 사이의 절연을 달성할 수 있도록 혼합 신호 회로 기판에서 디지털 접지와 아날로그 접지를 분리하는 것이 좋습니다. 이 방법은 가능하지만 특히 복잡한 대규모 시스템에서 많은 잠재적인 문제가 있습니다. 가장 중요한 문제는 분할 간격을 가로질러 라우팅할 수 없다는 것입니다. 분할 간격이 라우팅되면 전자파 방사 및 신호 혼선이 급격히 증가합니다. PCB 설계에서 가장 일반적인 문제는 신호 라인이 분리된 접지 또는 전원 공급 장치를 가로질러 EMI 문제를 생성한다는 것입니다.

혼합 신호 PCB의 파티션 설계를 달성하는 방법

그림 1과 같이 위에서 언급한 분할 방식을 사용하며 신호선은 두 접지 사이의 간격을 교차합니다. 신호 전류의 반환 경로는 무엇입니까? 분할된 두 접지가 어딘가에 함께 연결되어 있다고 가정하면(보통 특정 위치에서 단일 지점 연결) 이 경우 접지 전류는 큰 루프를 형성합니다. 큰 루프를 통해 흐르는 고주파 전류는 복사 및 높은 접지 인덕턴스를 생성합니다. 낮은 수준의 아날로그 전류가 큰 루프를 통해 흐르면 전류가 외부 신호에 의해 쉽게 간섭을 받습니다. 가장 나쁜 점은 분리된 접지가 전원 공급 장치에서 함께 연결될 때 매우 큰 전류 루프가 형성된다는 것입니다. 또한 아날로그 접지와 디지털 접지를 긴 전선으로 연결하여 다이폴 안테나를 형성합니다.

전류가 접지로 복귀하는 경로와 방법을 이해하는 것은 혼합 신호 회로 기판 설계를 최적화하는 열쇠입니다. 많은 설계 엔지니어는 신호 전류가 흐르는 위치만 고려하고 전류의 특정 경로는 무시합니다. 접지층을 분리해야 하고 배선이 구획 사이의 간격을 통해 라우팅되어야 하는 경우 분할된 접지 사이에 단일 지점 연결을 만들어 두 접지 사이에 연결 브리지를 형성한 다음 연결 브리지를 통해 배선할 수 있습니다. . 이러한 방식으로 각 신호 라인 아래에 직류 복귀 경로를 제공할 수 있으므로 형성되는 루프 영역이 작습니다.

광학 절연 장치 또는 변압기를 사용하면 분할 간격을 가로질러 신호를 얻을 수도 있습니다. 전자의 경우 분할 간격을 가로지르는 것은 광학 신호입니다. 변압기의 경우 분할 간격을 가로지르는 것은 자기장입니다. 또 다른 실행 가능한 방법은 차동 신호를 사용하는 것입니다. 신호는 한 라인에서 유입되고 다른 신호 라인에서 되돌아옵니다. 이 경우 접지는 리턴 경로로 필요하지 않습니다.

아날로그 신호에 대한 디지털 신호의 간섭을 깊이 탐구하려면 먼저 고주파 전류의 특성을 이해해야 합니다. 고주파 전류의 경우 항상 임피던스(가장 낮은 인덕턴스)가 가장 작고 신호 바로 아래에 있는 경로를 선택하여 인접 레이어가 전원 레이어인지 접지 레이어인지에 관계없이 인접한 회로 레이어를 통해 복귀 전류가 흐를 것입니다. .

실제 작업에서는 일반적으로 단일 접지를 사용하는 경향이 있으며 PCB를 아날로그 부분과 디지털 부분으로 구분합니다. 아날로그 신호는 회로 기판의 모든 레이어의 아날로그 영역에서 라우팅되고 디지털 신호는 디지털 회로 영역에서 라우팅됩니다. 이 경우 디지털 신호 반환 전류는 아날로그 신호 접지로 흐르지 않습니다.

디지털 신호가 회로 기판의 아날로그 부분에 배선되거나 아날로그 신호가 회로 기판의 디지털 부분에 배선되는 경우에만 아날로그 신호에 대한 디지털 신호의 간섭이 나타납니다. 이러한 문제는 접지가 나누어져 있지 않기 때문에 발생하지 않으며, 실제 원인은 디지털 신호의 배선이 잘못되어 있기 때문입니다.

PCB 설계는 디지털 회로 및 아날로그 회로 파티션 및 적절한 신호 배선을 통해 통합 접지를 채택하여 일반적으로 더 어려운 레이아웃 및 배선 문제를 해결할 수 있으며 동시에 접지 분할로 인한 잠재적인 문제를 일으키지 않습니다. 이 경우 구성 요소의 레이아웃과 분할이 디자인의 장단점을 결정하는 핵심이 됩니다. 레이아웃이 합리적이라면 디지털 접지 전류는 회로 기판의 디지털 부분으로 제한되고 아날로그 신호를 방해하지 않습니다. 이러한 배선은 배선 규칙이 100% 준수되도록 주의 깊게 검사하고 확인해야 합니다. 그렇지 않으면 신호 라인을 잘못 라우팅하면 아주 좋은 회로 기판이 완전히 파괴됩니다.

A/D 컨버터의 아날로그 접지와 디지털 접지 핀을 함께 연결할 때 대부분의 A/D 컨버터 제조업체는 다음을 제안합니다. AGND 및 DGND 핀을 가장 짧은 리드를 통해 동일한 저임피던스 접지에 연결합니다. (참고: 대부분의 A/D 컨버터 칩은 아날로그 접지와 디지털 접지를 함께 연결하지 않기 때문에 아날로그와 디지털 접지는 외부 핀을 통해 연결해야 합니다.) DGND에 연결된 외부 임피던스는 기생 커패시턴스를 통과합니다. 더 많은 디지털 노이즈가 IC 내부의 아날로그 회로에 결합됩니다. 이 권장 사항에 따르면 A/D 변환기의 AGND 및 DGND 핀을 아날로그 접지에 연결해야 하지만 이 방법을 사용하면 디지털 신호 디커플링 커패시터의 접지 단자를 아날로그 접지에 연결해야 하는지 여부와 같은 문제가 발생합니다. 또는 디지털 접지.

혼합 신호 PCB의 파티션 설계를 달성하는 방법

시스템에 A/D 변환기가 하나만 있으면 위의 문제를 쉽게 해결할 수 있습니다. 그림 3과 같이 접지를 분리하고 A/D 변환기 아래에 아날로그 접지와 디지털 접지를 함께 연결합니다. 이 방법을 채택할 때 두 접지 사이의 연결 브리지 너비가 IC 너비와 같아야 하며 어떤 신호선도 분할 간격을 넘지 않아야 합니다.

예를 들어 시스템에 A/D 변환기가 많은 경우 10개의 A/D 변환기를 연결하는 방법은 무엇입니까? 각 A/D 변환기 아래에 아날로그 접지와 디지털 접지가 함께 연결되면 다점 연결이 발생하고 아날로그 접지와 디지털 접지 사이의 절연은 의미가 없습니다. 이 방법으로 연결하지 않으면 제조업체의 요구 사항에 위배됩니다.